Transistor - Physik
Transistor - Physik
Transistor - Physik
Einleitung
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement. Er kann elektrische Ströme und Spannungen steuern, Signale verstärken oder wie ein sehr schneller Schalter arbeiten. Transistoren haben keine mechanisch bewegten Kontakte. Deshalb können sie sehr klein sein und schnell schalten.
Du begegnest Transistoren in Computern, Smartphones, Radios, Verstärkern, Sensoren, Ladegeräten und Motorsteuerungen. In diesem aiMOOC lernst Du vor allem den Bipolartransistor und den MOSFET kennen.
.jpg)
Das Foto zeigt diskrete Transistoren in verschiedenen Gehäusen. Ihre äußere Form verrät nicht sicher, welche Anschlussfolge vorliegt. Dafür brauchst Du immer das Datenblatt.
Geschichte
Der erste funktionsfähige Punktkontakttransistor wurde 1947 in den Bell Laboratories entwickelt. Die Arbeiten von John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley schufen eine Grundlage der modernen Elektronik. Transistoren ersetzten in vielen Anwendungen größere und energieaufwendigere Elektronenröhren.
Die Abbildung zeigt einen Nachbau des frühen Punktkontakttransistors. Moderne Transistoren sind meist wesentlich kleiner und werden häufig gemeinsam auf einem integrierten Schaltkreis hergestellt.
Physikalische Grundlagen
Halbleiter und Dotierung
Ein häufig verwendetes Halbleitermaterial ist Silicium. Seine elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der eines Leiters und der eines Isolators. Durch Dotierung werden gezielt Fremdatome in den Kristall eingebracht.
- Bei einer n-Dotierung stehen zusätzliche bewegliche Elektronen zur Verfügung.
- Bei einer p-Dotierung entstehen bewegliche Fehlstellen, die als Löcher beschrieben werden.
- Treffen p- und n-dotierte Bereiche aufeinander, entsteht ein p-n-Übergang mit einer Raumladungszone.
Ein Bipolartransistor enthält zwei p-n-Übergänge. Ein MOSFET steuert dagegen die Leitfähigkeit eines Kanals durch ein elektrisches Feld.
Das Steuerprinzip
Ein Transistor besitzt einen Steueranschluss und einen Laststrompfad. Ein kleines Eingangssignal verändert den deutlich größeren Strom im Ausgangskreis. Die Energie für das Ausgangssignal kommt aus der Spannungsquelle der Schaltung, nicht aus dem schwachen Eingangssignal selbst.
Damit sind zwei Grundfunktionen möglich:
- Schalten: Der Laststrom ist nahezu aus oder deutlich eingeschaltet.
- Verstärken: Kleine Änderungen am Eingang erzeugen größere Änderungen am Ausgang.
Der Bipolartransistor
Ein Bipolartransistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Bereichen. Es gibt NPN-Transistoren und PNP-Transistoren. Im Schulversuch wird häufig ein NPN-Transistor verwendet.
| Anschluss | Abkürzung | Aufgabe im vereinfachten Modell |
|---|---|---|
| Basis | B | Steueranschluss |
| Kollektor | C | Anschluss des gesteuerten Laststroms |
| Emitter | E | gemeinsamer Bezug und Austritt des Laststroms beim NPN-Schalter |
Am Emitter liegt im Schaltzeichen ein Pfeil. Beim NPN-Transistor zeigt er nach außen, beim PNP-Transistor nach innen. Die Dotierungsfolge und die Stromrichtungen sind bei beiden Typen verschieden.
Die Darstellung mit zwei Dioden hilft, die beiden p-n-Übergänge zu erkennen. Sie ist jedoch kein vollständiges Ersatzmodell: Zwei einzelne Dioden können die Transistorwirkung nicht ersetzen.
NPN-Transistor als Schalter
Bei einem Silicium-NPN-Transistor beginnt ein merklicher Basisstrom typischerweise, wenn die Basis-Emitter-Spannung ungefähr bis erreicht. Der genaue Wert hängt unter anderem von Strom und Temperatur ab.
- Sperrbereich: Es fließt praktisch kein Basisstrom; der Kollektorstrom ist nahezu null.
- Leitender Bereich: Ein Basisstrom ermöglicht einen größeren Kollektorstrom.
- Sättigung: Der Transistor ist als Schalter weit durchgesteuert; die Kollektor-Emitter-Spannung ist klein.
Im Verstärkungsbereich gilt näherungsweise:
Dabei ist der Basisstrom, der Kollektorstrom und die Stromverstärkung. Beim Schaltbetrieb in Sättigung ist diese Beziehung nur eingeschränkt nutzbar.
Ein Basiswiderstand begrenzt den Steuerstrom. Näherungsweise kann er so berechnet werden:
Achtung: Die Anschlussfolge in einem TO-92-Gehäuse ist nicht immer gleich. Prüfe Basis, Kollektor und Emitter im Datenblatt des konkreten Bauteils.
Bipolartransistor als Verstärker
In einer Emitterschaltung führt eine kleine Änderung des Basisstroms zu einer größeren Änderung des Kollektorstroms. Ein Kollektorwiderstand wandelt diese Stromänderung in eine Spannungsänderung um. Die Ausgangsspannung ist dabei gegenüber der Eingangsspannung umgekehrt: Steigt der Kollektorstrom, fällt am Widerstand mehr Spannung ab und die Kollektorspannung sinkt.
Für eine verzerrungsarme Verstärkung muss ein geeigneter Arbeitspunkt eingestellt werden. Ist der Transistor zu weit gesperrt oder gesättigt, wird das Signal abgeschnitten und verzerrt.
Der Feldeffekttransistor und der MOSFET
Ein Feldeffekttransistor wird durch ein elektrisches Feld gesteuert. Beim häufig verwendeten MOSFET heißen die Anschlüsse:
- Gate G: Steueranschluss
- Drain D: Anschluss des gesteuerten Strompfads
- Source S: zweiter Anschluss des Strompfads
Das Gate ist durch eine sehr dünne Isolierschicht vom Halbleiter getrennt. Deshalb fließt im statischen Zustand nahezu kein Gate-Strom. Die Gate-Source-Spannung steuert, ob zwischen Drain und Source ein leitfähiger Kanal entsteht.
Die Schwellenspannung gibt nur an, ab wann ein kleiner Drainstrom messbar wird. Sie sagt nicht automatisch, dass der MOSFET bereits vollständig eingeschaltet ist. Für einen Schalter sind deshalb Angaben wie bei einer bestimmten Gate-Spannung im Datenblatt wichtig.
Bipolartransistor und MOSFET im Vergleich
| Merkmal | Bipolartransistor | MOSFET |
|---|---|---|
| Steuerung | hauptsächlich durch Basisstrom | hauptsächlich durch Gate-Source-Spannung |
| Anschlüsse | Basis, Kollektor, Emitter | Gate, Drain, Source |
| Eingang | Basis-Emitter-Strecke benötigt Strom | Gate ist isoliert; statisch fast kein Strom |
| typische Schulidee | kleiner Basisstrom steuert größeren Kollektorstrom | Gate-Spannung schaltet einen Kanal |
| wichtige Datenblattangabe | Stromverstärkung und Sättigungsspannung | Schwellenspannung und Einschaltwiderstand |
Beide Transistorarten können schalten und verstärken. Welche besser geeignet ist, hängt von Spannung, Strom, Schaltgeschwindigkeit, Verlustleistung und Ansteuerung ab.
Transistoren in digitalen Schaltungen
Digitale Schaltungen verwenden Transistoren meist als Schalter. Aus den Zuständen leitend und sperrend entstehen logische Pegel, die als 1 und 0 gedeutet werden. Besonders wichtig ist die CMOS-Technik, in der n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs zusammenarbeiten.
Ein CMOS-Inverter bildet eine logische Negation: Ein hoher Eingangspegel erzeugt einen niedrigen Ausgangspegel und umgekehrt. Viele solcher Grundschaltungen werden zu Speichern, Rechenwerken und Prozessoren verbunden.
Auf einem Chip sind sehr viele winzige Transistoren und ihre Verbindungen integriert. Die einzelnen Strukturen sind mit bloßem Auge nicht erkennbar.
Die historische Grafik veranschaulicht, wie die Zahl integrierter Transistoren über viele Jahre stark zunahm. Eine größere Zahl allein garantiert jedoch noch keine entsprechend größere Rechenleistung; auch Architektur, Taktung, Energiebedarf und Fertigung spielen eine Rolle.
Anwendungen
- Verstärker: Schwache Mikrofon- oder Sensorsignale werden verstärkt.
- Digitalelektronik: Transistoren bilden logische Gatter, Speicher und Prozessoren.
- Leistungselektronik: Motoren, Lampen und Spannungswandler werden geschaltet.
- Sensor: Kleine Änderungen einer Messgröße können elektrische Signale steuern.
- Kommunikationstechnik: Transistoren erzeugen, verstärken und verarbeiten Signale.
Verlustleistung und Schutz
Ein realer Transistor ist weder im Sperrzustand vollkommen isolierend noch im eingeschalteten Zustand widerstandslos. Dadurch entsteht Wärme.
Für einen Bipolartransistor kann die momentane Verlustleistung grob abgeschätzt werden mit:
Für einen eingeschalteten MOSFET gilt näherungsweise:
Bei größeren Leistungen können Kühlkörper nötig sein. Beim Schalten von Spulen, Motoren oder Relais entstehen beim Abschalten hohe Induktionsspannungen. Eine passend geschaltete Freilaufdiode schützt den Transistor.
Sicheres Schulexperiment: LED-Schalter
Ziel: Du steuerst eine LED mit einem NPN-Transistor. Arbeite nur mit einer ungefährlichen Kleinspannung, zum Beispiel .
Material: Steckbrett, geeigneter NPN-Kleinsignaltransistor, LED, LED-Vorwiderstand, Basiswiderstand, Spannungsquelle, Taster oder Steuerleitung, Kabel und Datenblatt.
- Schalte die LED mit Vorwiderstand in den Kollektorkreis.
- Verbinde den Emitter mit dem Minuspol der Spannungsquelle.
- Führe das Steuersignal ausschließlich über den Basiswiderstand zur Basis.
- Schalte die Kleinspannung ein und beobachte die LED beim Anlegen und Entfernen des Steuersignals.
- Miss Basisstrom, Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung und vergleiche Sperr- und Leitzustand.
Sicherheit: Verwende niemals Netzspannung. Kontrolliere die Anschlussfolge im Datenblatt. Schalte die Spannungsquelle vor Umbauten aus. LED und Basis brauchen passende Vorwiderstände. Beachte die maximal zulässigen Ströme und Leistungen aller Bauteile.
Merksätze
- Ein Transistor kann schalten und verstärken.
- Beim Bipolartransistor heißen die Anschlüsse Basis, Kollektor und Emitter.
- Beim MOSFET heißen die Anschlüsse Gate, Drain und Source.
- Ein Basis- oder Gate-Signal steuert den Strom im Lastkreis.
- Ein Datenblatt ist für Anschlussfolge und Grenzwerte unverzichtbar.
- Elektrische Energie für den Ausgang kommt aus der Versorgungsspannung.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche zwei Grundaufgaben kann ein Transistor übernehmen? (Schalten und Verstärken) (!Messen und Speichern) (!Leuchten und Kühlen) (!Drehen und Bremsen)
Wie heißen die drei Anschlüsse eines Bipolartransistors? (Basis Kollektor Emitter) (!Gate Drain Source) (!Anode Kathode Gate) (!Phase Neutralleiter Schutzleiter)
Was steuert beim NPN-Bipolartransistor den größeren Kollektorstrom? (Ein kleiner Basisstrom) (!Ein mechanischer Kontakt) (!Die Farbe des Gehäuses) (!Ein Magnetfeld ohne Stromkreis)
Wohin zeigt der Emitterpfeil beim NPN-Transistor? (Nach außen) (!Nach innen) (!Zur Basis) (!Zum Kollektor)
In welchem Bereich liegt die typische Basis-Emitter-Spannung eines leitenden Siliciumtransistors ungefähr? (Bei 0,6 bis 0,7 Volt) (!Bei 0,01 bis 0,02 Volt) (!Bei 5 bis 7 Volt) (!Bei 60 bis 70 Volt)
Wie heißen die drei Hauptanschlüsse eines MOSFET? (Gate Drain Source) (!Basis Kollektor Emitter) (!Anode Kathode Basis) (!Eingang Masse Ausgang)
Welche Größe steuert einen MOSFET hauptsächlich? (Die Gate-Source-Spannung) (!Der mechanische Druck) (!Die Gehäusetemperatur allein) (!Die Länge der Anschlussdrähte)
Warum braucht eine LED in einer Transistorschaltung einen Vorwiderstand? (Zur Begrenzung des Stroms) (!Zur Erzeugung von Licht) (!Zur Umkehrung der Polung) (!Zur Speicherung von Ladung)
Was geschieht bei der Emitterschaltung mit der Ausgangsspannung wenn der Kollektorstrom steigt? (Sie sinkt) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird unabhängig unendlich) (!Sie wechselt zur Netzspannung)
Welche Formel beschreibt näherungsweise die Verlustleistung eines Bipolartransistors? (P gleich U CE mal I C) (!P gleich U CE plus I C) (!P gleich I C durch U CE) (!P gleich U CE minus I C)
Memory
| Basis | Steueranschluss des Bipolartransistors |
| Kollektor | Anschluss des gesteuerten Strompfads beim BJT |
| Emitter | Anschluss mit Pfeil im BJT-Schaltzeichen |
| Gate | Steuerelektrode des MOSFET |
| Drain | Anschluss des MOSFET-Laststrompfads |
| Source | Bezugspunkt der Gate-Spannung |
| Sperrbereich | Transistor nahezu ausgeschaltet |
| Sättigung | Bipolartransistor als Schalter weit durchgesteuert |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Basis | Steueranschluss eines Bipolartransistors |
| Emitter | Anschluss mit dem Pfeil im BJT-Symbol |
| Gate | isolierter Steueranschluss eines MOSFET |
| Verstärkerbetrieb | kleine Signaländerung erzeugt größere Ausgangsänderung |
| Schalterbetrieb | Wechsel zwischen Sperren und Leiten |
Kreuzworträtsel
| Silizium | Welches Halbleitermaterial wird häufig für Transistoren verwendet? |
| Emitter | Welcher Anschluss trägt im BJT-Schaltzeichen den Pfeil? |
| Kollektor | Wie heißt beim BJT ein Anschluss des Laststrompfads? |
| Basis | Wie heißt der Steueranschluss eines Bipolartransistors? |
| Mosfet | Welcher Feldeffekttransistor besitzt ein isoliertes Gate? |
| Dotierung | Wie heißt das gezielte Einbringen von Fremdatomen in einen Halbleiter? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Transistor-Steckbrief: Gestalte einen übersichtlichen Steckbrief mit den Begriffen Schalter, Verstärker, Halbleiter und Steueranschluss.
- Schaltzeichen: Zeichne die Schaltzeichen eines NPN-Transistors und eines n-Kanal-MOSFET und beschrifte alle Anschlüsse.
- Alltagssuche: Finde fünf Geräte, in denen Transistoren arbeiten, und ordne jedem Gerät eine mögliche Transistoraufgabe zu.
- Erklärbild: Erstelle ein Bild, das einen kleinen Steuerstrom und einen größeren Laststrom anschaulich gegenüberstellt.
Standard
- LED-Schalter: Baue unter Aufsicht eine sichere Kleinspannungsschaltung mit NPN-Transistor und LED auf und dokumentiere Sperr- und Leitzustand.
- Messprotokoll: Miss Basisstrom, Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung bei mehreren Basiswiderständen und werte die Beobachtungen aus.
- Vergleichsvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo, das Bipolartransistor und MOSFET anhand ihrer Anschlüsse und Steuerarten vergleicht.
- Datenblattanalyse: Untersuche ein Transistordatenblatt und erkläre Anschlussfolge, Grenzstrom, Grenzspannung und maximale Verlustleistung.
Schwer
- Arbeitspunkt: Plane eine einfache Emitterschaltung und begründe, wie der Arbeitspunkt eine möglichst unverzerrte Verstärkung ermöglicht.
- MOSFET-Schalter: Entwirf eine Kleinspannungsschaltung für eine Lampe oder einen Motor und begründe die Wahl von Gate-Spannung, Schutzdiode und Transistor.
- Wärmemanagement: Berechne für mehrere Lastströme die angenäherte Verlustleistung und entwickle Kriterien für den Einsatz eines Kühlkörpers.
- Technikfolgen: Recherchiere, wie die Miniaturisierung von Transistoren Gesellschaft, Energieverbrauch und Rohstoffbedarf beeinflusst, und präsentiere unterschiedliche Perspektiven.
|
|
Lernkontrolle
- Schaltungsanalyse: Erkläre anhand einer unbekannten Transistorschaltung, welcher Anschluss das Eingangssignal erhält, wo der Laststrom fließt und ob die Schaltung eher schaltet oder verstärkt.
- Fehlersuche: Eine LED leuchtet dauerhaft, obwohl das Steuersignal ausgeschaltet ist. Entwickle mehrere überprüfbare Fehlerhypothesen und eine sichere Testreihenfolge.
- Bauteilwahl: Vergleiche einen Bipolartransistor und einen MOSFET für die Ansteuerung eines Kleinmotors. Begründe Deine Entscheidung mit mindestens vier technischen Kriterien.
- Signalübertragung: Begründe, warum ein Transistorverstärker Energie aus einer Versorgungsspannung benötigt, obwohl das Eingangssignal die Form des Ausgangssignals vorgibt.
- Grenzwerte: Beurteile eine Schaltung, in der Strom, Spannung oder Verlustleistung nahe am Datenblattgrenzwert liegen, und schlage eine robustere Auslegung vor.
- Digitaler Transfer: Erkläre, wie aus vielen Transistoren logische Gatter, Speicher und schließlich ein Rechenwerk entstehen können.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- die Funktionen Schalten und Verstärken unterscheiden kannst,
- die Anschlüsse von BJT und MOSFET korrekt benennst,
- Sperrbereich, Verstärkungsbereich und Sättigung sinnvoll erklärst,
- einfache Formeln für Basiswiderstand und Verlustleistung anwendest,
- ein Schaltbild sicher liest und mit einem Datenblatt abgleichst,
- die Wahl eines Transistortyps für eine Anwendung begründest,
- Schutzmaßnahmen wie Vorwiderstand, Freilaufdiode und Kleinspannung erklärst,
- Messwerte auswertest und Abweichungen vom idealen Modell diskutierst.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
Der Transistor verbindet Halbleiterphysik, Elektronik, Messtechnik und Informatik. Zum Verständnis gehören Ladungsträger in dotierten Halbleitern, p-n-Übergänge, elektrische Felder, Stromkreise, Leistung und logische Schaltungen.
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|